趙 喆， 高 旭

(江蘇東交智控科技集團股份有限公司， 江蘇 南京 210046)

0 引言

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層可以保護橋梁主體免受雨水及其他有害物質(zhì)侵蝕，并起到擴散荷載的作用，其質(zhì)量好壞和使用耐久性將影響到交通正常運行。水泥混凝土橋面鋪裝層整體界面強度是后期瀝青混合料鋪裝質(zhì)量的基礎(chǔ)條件，其中水泥橋面板的界面處理直接關(guān)系到鋪裝層與橋面的黏結(jié)效果[1-2]。目前，水泥混凝土橋面處理常用工藝有機械清掃、拉毛冷切、刻槽、拋丸和精銑刨等[3-4]。其中，機械清掃、拉毛冷切和刻槽一般只能清除橋面表層的浮塵，且處理后橋面平整度受原橋面板影響較大[5]；拋丸受機械功率限制，對于橋面浮漿較厚的情況，處理效果不佳。在所有處理工藝中，精銑刨處理效果最為徹底，清除深度較噴砂拋丸更深，并能有效改善橋面板的平整度，銑刨后橋面有充足的表面構(gòu)造深度，特別是在縱坡和浮漿厚度較大的橋面，精銑刨處理效果更佳。但精銑刨成本高，由于其處理深度較大，需要注意控制銑刨機合理的入刀深度[5]，并且，精銑刨對于橋面波浪起伏及浮漿較厚的復雜情況，往往達不到預期的處理效果。隨著信息化技術(shù)飛速發(fā)展，借助3D控制系統(tǒng)可有效解決精銑刨的問題。3D精控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場測量、借助軟件生成3D施工模型、并將模型數(shù)據(jù)輸入控制系統(tǒng)(機載電腦)，實現(xiàn)對銑刨機的處理厚度和對橋面高程的自動控制。與常規(guī)精銑刨相比，能夠減少原橋面平整度較差、浮漿較厚等因素對銑刨質(zhì)量的影響，提高橋面處理后的平整度和作業(yè)精確度，同時，由于實現(xiàn)了自動控制銑刨操作，可減少人為操作，提升橋面銑刨施工的信息化與智能化水平。目前，3D控制系統(tǒng)已經(jīng)在路面攤鋪施工中得到應用[6-8]。從應用效果來看，與傳統(tǒng)攤鋪方式相比，3D攤鋪不需要人工測量放線，節(jié)省大量人力投入，并且克服了傳統(tǒng)攤鋪精度受人工測量誤差和機械振動影響等缺陷，實現(xiàn)自動化的智能攤鋪[9]。目前，3D精銑刨在水泥混凝土橋面處理應用較少。本文依托實體工程，采用拋丸、常規(guī)精銑刨和3D精銑刨3種工藝對橋面板進行處理，并從高程變化、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、平整度等方面進行處理效果的對比分析。

1 工程概況

寧波舟山港主通道(魚山石化疏港公路)公路工程為交通部品質(zhì)工程示范項目，主線全長27.969 km，跨海橋梁長度17 km，全線共設(shè)置隧道2座，互通5處。舟山港主通道公路工程主線采用雙向4車道標準設(shè)計，設(shè)計速度為100 km /h；橋梁及路基寬度為26.0 m；橋涵設(shè)計荷載為公路-I級。

2 機械設(shè)備

拋丸采用BLASTRAC 2-4800DH全自動駕駛式拋丸機，作業(yè)寬度為122 cm。精銑刨采用維特根W205型冷銑刨機，配備672個刀頭，刀頭間距控制在4～6 mm。精銑刨施工速度可控制在3～5m /min。

3 工作原理及系統(tǒng)組成

3.1 3D控制系統(tǒng)工作原理

本文以設(shè)計圖紙為數(shù)據(jù)源，理清施工圖數(shù)據(jù)特征，包括橋梁平面、縱斷面、橫斷面數(shù)據(jù)，分析提取得到建模數(shù)據(jù)。首先將所提取的路線平面數(shù)據(jù)與縱斷面高程數(shù)據(jù)結(jié)合生成橋梁三維中心線，再通過轉(zhuǎn)換路基橫斷面坐標系至中心線坐標系，得到同一坐標系下的公路三維中心線與三維橫斷面線。然后根據(jù)線路中心線三維坐標計算路基橫斷面各特征點坐標，建立橋面板三維模型，完成線路三維模型建立，將并模型導入到機載控制電腦，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)準備流程

系統(tǒng)工作時，采用全站儀(機械控制)捕獲和測量安裝在銑刨機上的 360°棱鏡的三維坐標數(shù)據(jù)，通過銑刨機上的超級藍牙電臺實時傳送到3D控制面板，與已經(jīng)導入的三維模型進行對比，生成相應的坐標高程修正信息并通過控制面板調(diào)整銑刨的下刀深度與角度，使銑刨橋面產(chǎn)生坡度和高程變化，滿足橋面平整度要求；在具體施工過程中,為達到橋面銑刨精確控制要求，另一臺測量全站儀一直處于監(jiān)測道面攤鋪狀態(tài)，真正實現(xiàn)全過程監(jiān)控施工，滿足銑刨要求。 3D控制系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)見圖2。

圖2 3D控制系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)情況

3.2 系統(tǒng)組成

3D控制系統(tǒng)包括控制面板(控制電腦)、自動測量型全站儀、360O棱鏡、坡度傳感器等設(shè)備，各類設(shè)備具體參數(shù)見表1。其中，控制面板(控制電腦)用來控制銑刨機的銑刨速度及左右側(cè)的銑刨深度。自動測量型全站儀能夠自動搜尋與照準，實時跟蹤360O棱鏡、測量三維坐標。本次配置兩臺徠卡 iCR80自動測量型全站儀。一臺全站儀主要用于引導銑刨自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場施工，另一臺用于實時監(jiān)測已銑刨面與設(shè)計面偏移量和銑刨過程中“蛙跳”。

表1 主要設(shè)備情況設(shè)備名稱規(guī)格型號主要參數(shù)數(shù)量/個控制面板徠卡MCP80型(4±2)mm1全站儀徠卡 iCR80自動測量型1 s2360°棱鏡GPR121—2坡度傳感器——1

4 試驗方案

拋丸行走速度控制在2.5 m/min。正常情況下，只進行1次拋丸。若浮漿較厚，則進行2次拋丸處理。常規(guī)精銑刨施工速度控制在3～5 m/min，銑刨深度由操作人員主觀判斷，一般控制在0.7～1.0 cm。若浮漿厚度超過1 cm，則再銑刨1次。3D精銑刨通過初期調(diào)整后，將根據(jù)錄入的3D模型進行自動控制施工。

5 試驗結(jié)果

為研究3D精銑刨的處理效果，選取高程變化、處理后鋪面構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、平整度及橋面外觀等幾個方面來進行對比分析。

5.1 高程變化

在約100 m的施工段對40個測點進行測量，3種工藝處理前后的高程變化如表2所示。為更直觀地呈現(xiàn)變化情況，繪制高程變化情況，如圖3所示。

表2 處理前后各橫斷面高程高差數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果處理工藝平均高程差/mm處理前處理后平均處理深度/mm標準差處理前處理后拋丸6.93.83.17.546.92常規(guī)精銑刨5.7-3.18.88.418.343D精銑刨3.2-1.44.65.453.51

從表2、圖3可以看出，拋丸處理的平均深度為3.1 mm，處理深度最小，對于較厚水泥浮漿處理效果一般。因常規(guī)精銑刨處理深度由人工進行定值調(diào)整，平均處理深度達到8.8 mm，但對于原始標高低于設(shè)計標高的部位偏差將加劇。3D精銑刨可實現(xiàn)銑刨深度的動態(tài)調(diào)整，平均深度為4.6 mm，介于拋丸與常規(guī)精銑刨之間。從處理前后高程偏差的標準差來看，拋丸與常規(guī)精銑刨工藝處理基本沒有改變設(shè)計高程的偏差，而3D精銑刨處理后，標準差由5.45降低至3.51，說明3D精銑刨處理后的橋面高程更貼近設(shè)計要求。

圖3 3種工藝處理前后高程變化情況

5.2 構(gòu)造深度

摩擦系數(shù)檢測結(jié)果如表3所示。經(jīng)處理后，橋面板的構(gòu)造深度均能夠滿足技術(shù)要求。但2種經(jīng)精銑刨處理的構(gòu)造深度平均值高于拋丸工藝，其中，3D精銑刨處理后的橋面構(gòu)造深度可達0.91 mm，明顯優(yōu)于常規(guī)精銑刨和噴砂拋丸。另外，從露骨率來看，拋丸處理的殘余浮漿還較多，因此，露骨率結(jié)果較差。

表3 構(gòu)造深度檢測結(jié)果方案測點數(shù)露骨率/%構(gòu)造深度TD值范圍/mmTD平均值/mm標準差變異系數(shù)/%拋丸4030～500.57～1.050.770.13717.88常規(guī)精銑刨4070～800.73～1.020.850.08610.073D精銑刨40>800.80～1.040.910.0687.52技術(shù)要求——≥0.55≥0.55——

5.3 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)檢測結(jié)果見表4，3種工藝處理效果均能滿足技術(shù)要求，但精銑刨處理后橋面更為粗糙，更有利于層間黏結(jié)。另外，3D精銑刨處理結(jié)果變異系數(shù)最小，處理效果更為穩(wěn)定。

5.4 平整度

3 m直尺和多功能路面激光儀檢測橋面平整度結(jié)果見表5。從表5可以看出，拋丸處理后，橋面

表4 摩擦系數(shù)檢測結(jié)果處理工藝測點數(shù)/個摩擦系數(shù)平均值標準差變異系數(shù)/%拋丸40765.2036.820常規(guī)精銑刨40793.5424.4603D精銑刨40802.7453.410技術(shù)要求≥45 BPN

平整度較為一般。而3D精銑刨工藝更有利于橋面平整度的控制，其國際平整度指數(shù)IRI值最小，約為2 m /km。

表5 平整度檢測結(jié)果處理工藝3 m直尺檢測結(jié)果/mm國際平整度指數(shù)IRI/(m·km-1)右1右2右1右2拋丸4.64.23.243.11常規(guī)精銑刨2.52.52.212.173D精銑刨2.32.31.952.08技術(shù)要求≤5—

5.5 橋面外觀

3種工藝及處理后橋面效果對比見圖4，盡管拋丸施工成本相對較低，但處理后殘余水泥浮漿較多，表面露骨粗糙程度不是特別明顯；2種精銑刨工藝處理的界面粗糙度更好，鋪面紋理更為均勻。但常規(guī)精銑刨存在一定遺漏情況；而3D精銑刨處理的混凝土表面基本沒有浮漿，無起砂層，露骨率狀況更好。

(a) 拋丸

6 結(jié)論

通過對比分析，常規(guī)精銑刨與3D精銑刨工藝的處理效果整體優(yōu)于拋丸工藝。拋丸工藝的處理表面殘留浮漿較多，構(gòu)造深度較小，平整度檢測結(jié)果與精銑刨也存在一定差異。此外，與常規(guī)精銑刨相比，3D精銑刨處理后的橋面高程更貼近設(shè)計要求，鋪面紋理清晰均勻，且基本不存在“漏白”部位。因此，基于3D控制系統(tǒng)的精銑刨技術(shù)更有利于橋面鋪裝層平整度控制。3D精銑刨處理可為瀝青鋪裝層提供一個平整度更好的基準面，能有效加強橋面各結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)，有利于提升橋面瀝青鋪裝層的整體質(zhì)量，延長橋面工程的服役壽命。